НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОТЕХНІЧНОЇ МЕХАНІКИ

ПОНОМАРЬОВ Андрій Вікторович

УДК [622.235. 002: 622.242: 622.235.14] (043.3)

РОЗРОБКА РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

ВІДБІЙКИ НЕРУДНИХ КОРИСНИХ КОПАЛИН

З ВИКОРИСТАННЯМ НАЙПРОСТІШИХ ВИБУХОВИХ РЕЧОВИН

05.15.11 – "Фізичні процеси гірничого виробництва"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геотехнічної механіки Національної Академії наук України

та на ВАТ "Докучаєвський флюсо-доломітний комбінат"

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

член-кореспондент НАН України,

Заслужений діяч науки і техніки України

Єфремов Ернест Іванович,

Інститут геотехнічної механіки НАН України,

завідувач відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Комір Віталій Михайлович,

Кременчуцький державний політехнічний університет

Міністерства освіти та науки України,

завідувач кафедрою

кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник

Джос Володимир Пилипович,

Інститут геотехнічної механіки НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна організація: Національний гірничий університет Міністерства

освіти та науки України,

кафедра відкритих гірничих робіт (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться "25 " жовтня 2002 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08. 188. 01 при Інституті геотехнічної механіки НАН України за адресою:

49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-А, факс (056) 46-24-26.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту геотехнічної механіки НАН України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2-А.

Автореферат розісланий “23” вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук В.Г. Перепелиця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Підвищення ефективності гірничовидобувних галузей промисловості значною мірою залежить від подальшого удосконалення буровибухових робіт, що є однією з найважливіших складових частин процесу видобування корисних копалин. Витрати на ці роботи досягають 30 % і більше собівартості гірської маси, що видобувається. При цьому основна частка цих витрат припадає на вибухові речовини (ВР). Тому при існуючих масштабах видобування флюсової сировини удосконалення буровибухових робіт є важливим резервом здешевлення вартості її видобування і підвищення продуктивності праці.

Вибухові роботи на кар’єрах нерудних корисних копалин мають ряд особливостей, що істотно впливають на вибір засобів вибухового подрібнення порід і типів ВР. Головна особливість – це обмеження куска породи не тільки за максимальними (негабаритними фракціями), але і за мінімальними розмірами, тому що дрібні фракції відносять до некондицій, що зменшує вихід готової товарної продукції.

Втрати корисних копалин при вибуховій відбійці формуються, головним чином, в області впливу високих імпульсних тисків, тобто в безпосередній близькості від заряду ВР. Зменшення бризантних форм роботи ВР, що збільшують втрати корисних копалин внаслідок місцевого пере здрібнення порід, може бути досягнуто при зниженні скоку тиску і збільшенні його тривалості, що можливо вирішити за рахунок використання вибухових речовин найпростішого складу, які мають знижений пік тиску в головній частині імпульсу вибуху. Тому питання розробки ресурсозберігаючої технології відбійки корисних копалин із використанням найпростіших ВР, що забезпечує раціональне подрібнення флюсових вапняків і доломітів при мінімальних витратах на відбійку та поліпшення екології навколишнього середовища, є актуальним науково-практичним завданням.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Матеріали дисертації пов’язані з планами науково-дослідних робіт Інституту геотехнічної механіки НАН України, що виконуються по проблемі “Видобування твердих корисних копалин” в межах теми “Управління параметрами вибухового навантаження з урахуванням властивостей масиву гірських порід, технологічної та екологічної безпеки підривних робіт” (№ державної реєстрації 0100U001476), згідно з постановою Бюро Відділення механіки НАН України (протокол №1, § 2 від 26.01.2000 р.), складовою частиною якої є розділи, виконані за участю автора.

Ідея роботи полягає у використанні ефекту керованого регулювання інтенсивністю вибухового навантаження гірських порід у ближній зоні зміною складу найпростіших багатокомпонентних ВР.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертації – розробка ресурсозбері-гаючої технології відбійки нерудних корисних копалин із використанням

свердловинних зарядів найпростіших вибухових речовин, що забезпечує зниження виходу перездрібнених фракцій і пилогазових викидів в атмосферу кар’єру.

Для досягнення поставленої мети розв’язувались такі задачі:–

на основі аналізу механізму руйнування гірських порід під час вибуху і методів управління енергією вибуху обгрунтувати раціональний напрямок зниження виходу перездрібнених фракцій і пилогазових викидів в атмосферу при вибуховій відбійці на кар’єрах флюсових вапняків і доломітів;–

установити залежність розмірів зони перездрібнення під час вибуху від властивостей ВР і фізико-механічних властивостей гірських порід;–

експериментально дослідити вплив швидкості вибухового навантаження на вихід дрібних фракцій при руйнуванні гірських порід;–

розробити багатокомпонентні низькобризантні ВР найпростішого складу, засоби і технологію їхнього приготування, способи формування та ініціювання свердловинних зарядів ВР, а також здійснити перевірку їхніх основних енергетичних та екологічних параметрів;–

здійснити промислову перевірку технології руйнування флюсових вапняків і доломітів свердловинними зарядами найпростіших ВР і їхнього впливу на якість подрібнення порід і на вихід товарної продукції, обгрунтувати їхню екологічну та економічну ефективність і область раціонального застосування.

Об’єкт дослідження – процес вибухового руйнування нерудних корисних копалин на кар’єрах.

Предмет дослідження – вплив енергетичних і детонаційних параметрів низькобризантних вибухових речовин найпростішого складу на подрібнення гірських порід і забруднення навколишнього середовища.

Методи дослідження. Для розв’язання поставлених завдань використано комплекс теоретичних і експериментальних методів досліджень: аналіз і узагальнення сучасних уявлень про критерії вибору типу ВР при руйнуванні твердих середовищ і механізм утворення перездрібнених фракцій під час вибуху; методи теорії пружності, математичної фізики, фізичного моделювання швидкоплинних процесів, методи математичної статистики, а також методи експериментальних досліджень процесів, що відбуваються під час вибуху розроблених низькобризантних ВР найпростішого складу.

Основні наукові положення, що виносяться на захист:

1. При зміні вибухових властивостей ВР розміри зони перездрібнення в породі більші для ВР із більшою щільністю і швидкістю детонації та більшим коефіцієнтом заломлення енергії вибухової хвилі на контакті ВР з породою.

2. Очікуваний вихід перездрібнених фракцій під час вибуху ВР із різними енергетичними і детонаційними властивостями визначається відношенням площ під головними частинами імпульсів вибуху за час їхніх хімічних реакцій.

3. Зміна складу низькобризантних найпростіших ВР в напрямку зниження амплітуди тиску і збільшення тривалості вибухового імпульсу дозволяє здійснювати управління процесом виходу перездрібнених фракцій, у тому числі і пиловидних, при руйнуванні гірських порід середньої і вищесередньої міцності.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше при розрахунку розмірів зони перездрібнення через коефіцієнт заломлення ураховано залежність енергії, що передається в масив, від властивостей ВР і породи. Розраховані розміри зони перездрібнення добре погоджуються із експериментально одержаним виходом перездрібнених фракцій.

2. Вперше установлено, що бризантна дія вибуху в гірських породах, яка визначає вихід перездрібнених фракцій, пропорційна площі під головними частинами імпульсів різних ВР за час їхніх хімічних реакцій. На основі параметрів випробуваної та еквівалентної ВР по співвідношенню площ під головними частинами імпульсів цих ВР можливе прогнозування виходу перездрібнених фракцій при використанні випробуваної ВР.

3. Обгрунтоване раціональне співвідношення окислювача, рідкого й твердих дрібнодисперсних невибухових горючих компонентів найпростіших багатокомпонентних ВР, що забезпечило стабілізацію їх детонаційних і вибухових властивостей.

4. Вперше створені, випробувані і визначені характеристики найпростіших багатокомпонентних вибухових речовин, що дозволяють здійснювати раціональне вибухове навантаження масиву з урахуванням інтенсивності подрібнення порід і пилогазових викидів (Патенти України, № 37640А від 15.05.2001 р. і № 38034А від 15.05.2001 р.).

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням апробованих методів досліджень, хорошою збіжністю результатів теоретичних розрахунків і лабораторних експериментів (похибка не перевищує 10%), обгрунтованим обсягом полігонних та промислових досліджень, що забезпечує похибку не більше 20%.

Наукове значення отриманих результатів полягає у встановленні закономірностей утворення зон перездрібнення гірських порід під час вибуху зарядів ВР, зумовлених властивостями ВР та порід, що руйнуються, а також в обгрунтуванні складу і властивостей ВР для мінімізації виходу перездрібнених фракцій.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1. Проведені випробування енергетичних і детонаційних параметрів нових вибухових сумішей, на основі яких розроблені рецептури фізично стабільних найпростіших багатокомпонентних низькобризантних ВР, що пройшли промислові випробування і допущені Держнаглядохоронпраці України до постійного застосування.

2. Обгрунтована конструкція свердловинного заряду і спосіб його ініціювання з урахуванням особливості детонації найпростіших ВР.

3. Здійснено проектування, будівництво й експлуатацію пункту механізованого приготування багатокомпонентних сумішевих вибухових речовин найпростішого складу.

4. Розроблена і впроваджена ресурсозберігаюча технологія вибухового руйнування нерудних корисних копалин зарядами ВР найпростішого складу з урахуванням технологічних вимог до гранулометричного складу підірваної гірської маси і забезпечення мінімального забруднення навколишнього середовища.

Розроблені і узгоджені в головних інститутах України по безпеці праці (НДІБПГ) і по вибухових матеріалах (ДержНДІХП) технічні умови і технологічні регламенти на нові вибухові суміші ПВС-1У і ПБВС-2, що допущені Держнаглядохоронпраці України до постійного застосування на відкритих роботах ( лист № 03-09/847 від 04.03.2002 р. і № 03-09/1102 від 20.03.2002 р.).

Розроблена і впроваджена технологічна лінія (комплекс устаткування) приготування багатокомпонентних вибухових сумішей ПБВС-2 і ПВС-1У.

Вибухові речовини ПБВС-2 і ПВС-1У і раціональні конструкції зарядів впроваджені на кар’єрах Докучаєвського флюсо-доломітного комбінату і за рахунок підвищення якості подрібнення порід при зниженій собівартості вибухових робіт одержано загальний економічний ефект в розмірі 542 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно визначена ідея роботи, її мета і задачі досліджень, основні наукові положення, висновки і рекомендації по їхній практичній реалізації. Ним здійснені теоретичні дослідження радіуса зони перездрібнення з урахуванням коефіцієнта заломлення [3,4,10], а також лабораторні дослідження впливу швидкості детонації ВР на вихід дрібних фракцій [5]. Автор особисто брав участь у проведенні полігонних експериментальних вибухів нових ВР[6,7,], а також промислових вибухів на кар’єрах і обгрунтував область застосування нових ВР[2].Текст дисертації викладений автором особисто.

Апробація результатів досліджень. Основні положення і окремі результати роботи доповідались і обговорювалися на Міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, травень 2000 р. і жовтень 2001 р.); Міжнародній науковій конференції “Фізичні проблеми руйнування гірських порід” (м. С.-Петербург, вересень 2000 р.); Науковому симпозіумі “Тиждень гірника” (м. Москва, січень 2001 р. і січень 2002 р.); на 4 Міжнародному семінарі “Високоенергетична обробка матеріалів” (м. Дніпропетровськ, червень 2001 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 12 друкованих роботах, серед яких 8 статей опубліковано в наукових фахових виданнях, 2 – матеріалах конференцій, а також отримано 2 патенти України.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків і додатків на 160 сторінках машинописного тексту, у тому числі 20 малюнків, 31 таблиці і списку використаних джерел із 90 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМіст РОБОТИ

Основний обсяг гірської маси при видобуванні флюсових вапняків і доломітів відокремлюється від масиву за допомогою енергії вибуху.

При визначенні раціонального ступеня подрібнення флюсових вапняків і доломітів, поряд із виходом негабаритних фракцій, необхідно враховувати обсяг перездрібненої гірської маси, що негативно впливає на вихід товарної продукції. При цьому на нерудних кар’єрах вихід перездрібненої гірської маси досягає 20 %, що не тільки веде до втрат товарної продукції, але і знижує коефіцієнт корисної дії вибуху через величезні втрати енергії вибуху на здрібнення породи, збільшуючи обсяг викидів пилу в атмосферу кар’єру.

Проблема раціонального подрібнення нерудних корисних копалин не є новою і розв’язується багатьма дослідниками десятки років. Основним завданням проблеми подрібнення при цьому є обгрунтування комплексу наукових і практичних рішень, пов’язаних із дослідженнями об’єкту руйнування, розробкою економічних і екологічно надійних ВР і ресурсозберігаючих технологій вибухових робіт.

Успішне розв’язання цих складних питань стало можливим завдяки роботам відомих вітчизняних та зарубіжних вчених таких наукових центрів, як: ІГТМ НАН України, Національний гірничий університет, Криворізький технічний університет, Кременчуцький державний політехнічний університет, Національний науково-дослідний інститут охорони праці, Московський державний гірничий університет, Санкт-Петербурзький державний технічний університет, ІПКОН РАН, ІФЗ РАН, ІГС СВ РАН та ін.

Разом з тим, як показує виконаний в роботі аналіз відомих теоретичних і експериментальних досліджень вітчизняних і зарубіжних вчених, проблема перездрібнення нерудних корисних копалин при вибуховому руйнуванні є винятково складною і її рішення пов’язано з маловивченими процесами, що відбуваються на контакті ВР-порода.

Як відомо, під дією вибухового навантаження з віддаленням від заряду порода руйнується неоднаково, а на контакті із зарядом порода перездрібнюється. Розміри зони перездрібнення визначаються властивостями породи і ВР. Вона є основним постачальником некондиційних фракцій та пилу.

Існуючі оцінки розмірів зони перездрібнення суперечливі, проте більшість дослідників схиляється до думки, що радіус цієї зони не перевищує 3-5 радіусів заряду ВР. При теоретичних оцінках розмірів зони перездрібнення звичайно робиться припущення, що на межі цієї зони напруження в середовищі рівні міцності порід на стиск. На контакті заряду ВР із породою скік тиску, долаючи опір всебічному стиску, роздавлює і здрібнює породу.

Щодо вибору типу ВР для відбійки гірських порід існують дві точки зору. Перша грунтується на положенні про необхідність відповідності детонаційного тиску межі міцності породи. Практичним критерієм цього є відношення імпедансів ВР і породи, що повинно бути якнайближче до одиниці. Інша точка зору зводиться до того, що тиск детонації визначає тільки головну частину імпульсу вибуху, від якої залежить руйнування породи в приконтактній зоні. А тому, з метою зменшення обсягу перездрібнення в ближній зоні вибуху необхідно зменшення головної частини імпульсу при зберіганні його загальної площі за рахунок збільшення тривалості дії вибуху на породу.

Таким чином, проведені до цього теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють зробити висновок про те, що на вихід перездрібнених фракцій впливають тип ВР і фізико-механічні властивості порід. Вихід перездрібнених фракцій визначається в основному розміром зони, що контактує із ВР. На розміри цієї зони впливає головна частина вибухового імпульсу, зумовлена тиском детонації. При застосуванні ВР із меншою швидкістю детонації і з більшою шириною зони хімічної реакції спостерігається зниження виходу перездрібнених фракцій.

Проте, незважаючи на наявні досягнення в дослідженні зони, яка контактує з ВР, ще не встановлені залежності виходу перездрібнених фракцій від параметрів, які характеризують головні частини імпульсів різноманітних ВР, що дозволило б прогнозувати вихід перездрібнених фракцій. Крім того, при розрахунку розмірів зони перездрібнения не враховувалося заломлення ударних хвиль на межі ВР-порода, що не дозволяло мінімізувати вихід перездрібнених фракцій із погляду відповідності властивостей ВР властивостям порід, що руйнуються.

Для флюсових кар’єрів зниження виходу перездрібнених фракцій у процесі вибухової відбійки дозволяє розв’язувати не тільки економічну проблему збільшення виходу товарної продукції, але і соціальну проблему -зменшення шкідливих викидів в атмосферу кар’єру. Тому для вибухової відбійки флюсових вапняків і доломітів пропонується використовувати вибухові речовини найпростішого складу, що дозволяють домогтися зниження виходу перездрібнених фракцій і пилогазових викидів в атмосферу.

Як відомо, руйнування середовища на контакті з ВР пов’язано з енергією ВР, що переходить в ударну хвилю.

Згідно з проведеними в роботі теоретичними і експериментальними дослідженнями виходу перездрібнених фракцій під час вибуху в залежності від властивостей ВР і середовища встановлено, що, частка енергії, яка переходить в ударну хвилю на контакті із середовищем залежить, крім властивостей ВР, від властивостей середовища і визначається коефіцієнтом заломлення Кпр енергії із зарядної порожнини в середовище.

При розрахунку розмірів зони перездрібнення з урахуванням властивостей ВР і середовища передбачалося, що на стінки свердловини радіусом r0, згідно з відомою залежністю миттєво діє тиск

, (1)

де ?вв – щільність ВР, кг/м3; D – швидкість детонації ВР, км/с.

З урахуванням закону спадання напружень у межах зони перездрібнення і коефіцієнта заломлення на її межі, відносний радіус зони перездрібнення , встановлений автором, дорівнює

, (2)

де – міцність породи на стиск.

З урахуванням визначених експериментально властивостей ВР були розраховані зони перездрібнення порід та їхні залежності від швидкості детонації ВР під час вибуху в різних середовищах (рис.1). Встановлено, що ВР з високими швидкістю детонації і щільністю, акустичний імпеданс яких наближається до акустичного імпедансу породи, створює збільшену зону перездрібнення.

Дослідження впливу властивостей ВР на характер руйнування середовища проведені в лабораторних умовах на моделях із плексигласу, піщано-цементної суміші і вапняку. Зміна вибухових властивостей ВР у лабораторних умовах досягалася за рахунок добавок до тену твердого ракетного палива (ТРП), що дозволило регулювати бризантність вибухової суміші.

При зіставленні визначеного експериментально обсягу дрібних фракцій і отриманих розрахунковим шляхом розмірів зон перездрібнення встановлено, що при зниженні бризантності ВР, яке досягається в даному випадку шляхом збільшення масової частки ТРП, кількість дрібних фракцій і розміри зон перездрібнення зменшуються.

Рис.1. Зміна радіуса зони перездрібнення у твердих середовищах в залежності

від швидкості детонації ВР під час вибуху в різних середовищах:

1 – піщано-цементна суміш, 2 – плексиглас, 3 – вапняк

Вибухове навантаження оцінювалося як за результатами подрібнення, так і за даними механічних напружень, виміряних за допомогою п’єзоелектричних датчиків. За результатами вимірів побудовані залежності спадання напружень при зміні вибухових властивостей ВР (рис.2).

Рис.2. Спадання напружень у піщано-цементних моделях при зміні вибухових

властивостей ВР:

1 – заряд чистого тена; 2,3,4 - із добавками ТРП відповідно 10, 20 і 30 %

Оскільки в зоні перездрібнення енергія переноситься ударною хвилею, що пропорційна квадрату її максимального значення, по відношеннях значень амплітуд на стінці зарядної порожнини і на межі зони перездрібнення були оцінені втрати енергії в ближній зоні вибуху для чистого тена і для ВР із різною масовою долею твердого ракетного палива. Показано, що втрати енергії чистого тена (високобризантного ВР) у 1,85 разів вище, ніж для сумішного ВР із 30 % добавкою ТРП. Надмірна витрата енергії в ближній зоні веде до збільшення зони перездрібнення.

Розрахункові дані були підтверджені лабораторним експериментом при руйнуванні моделей із вапняку. Вихід дрібних фракцій (менше 5 мм) при зниженні бризантности ВР зменшився в 1,4 рази.

Як відомо, загальна дія вибуху обумовлена повним імпульсом вибуху. Місцева (бризантна) дія вибуху виявляється в здрібнюванні породи поблизу заряду ВР і обумовлена впливом головної частини імпульсу вибуху.

Відповідно існуючої діаграми зміни тиску в зарядній порожнині, загальна дія вибуху пропорційна площі Fп під його повним імпульсом Iп, який дорівнює добутку Fп на площу контакту ВР із середовищем (S0) – Iп= Fп S0. Загальна площа під імпульсом вибуху в роботі визначається наступним чином:

; (3)

,

де – PD - детонаційний тиск; – коефіцієнт згасання енергії; d і l – відповідно діаметр і довжина заряду.

З урахуванням того, що повний імпульс вибуху дорівнює , де M і Q, відповідно, маса і теплота вибуху, в роботі визначено коефіцієнт згасання

. (4)

Місцева або бризантна дія вибуху, що пропорційна площі під головною частиною імпульсу за час хімічної реакції, автором визначається таким чином

. (5)

Зіставлення відношень площі під головною частиною імпульсу для чистого тену (у даному випадку еталонного ВР) до площ під головною частиною імпульсів сумішей тену з різними частками ТРП із відношеннями виходів перездрібнених фракцій при застосуванні цих ВР свідчить про їхню достатню збіжність: зі зменшенням бризантності ВР збільшуються як співвідношення площ під головними частинами імпульсів порівнюваних ВР, так і відношення виходів перездрібнених фракцій, що утворюються при їхньому застосуванні.

З метою вивчення впливу швидкості детонації на інтенсивність руйнування і обсяг перездрібнених пиловидних часток (0-50 мкм), що є одним з основних джерел забруднення атмосфери кар’єру, були проаналізовані результати експериментальних досліджень на моделях, виготовлених із доломіту. Пиловидну фракцію виділяли методом ситового аналізу за допомогою лабораторного сита з розміром отворів 50 мкм , а гранулометричний склад пиловидних часток визначали за допомогою петрографічного мікроскопа. При цьому була встановлена чітка залежність кількості пиловидних фракцій від швидкості детонації ВР: чим вище швидкість детонації ВР, тим більша кількість пиловидних фракцій у продуктах руйнування.

Таким чином, теоретичні та експериментальні дослідження показали, що з позиції зменшення зони перездрібнення і виходу пиловидних часток доцільне використання ВР, що характеризуються невисокою швидкістю детонації при збільшенні тривалості вибухового імпульсу. Цим вимогам відповідають ВР найпростішого складу.

Різноманітність умов застосування і широкий діапазон технологічних вимог до промислових ВР обумовлює їхню відмінність за складом, фізичними і вибуховими властивостями. Існуючі ВР найпростішого складу типу ігданіт, КС-1 і ін. відзначаються фізичною нестабільністю, низькими енергетичними показниками і негативним екологічним впливом на навколишнє середовище. У цьому зв’язку співробітниками ІГТМ НАН України за участю автора розроблені нові фізично стабільні склади сумішевих ВР типу ПБВС-2 і ПВС- 1У і випробувані їхні вибухові властивості.

Нові вибухові суміші захищені Патентами України (№38034А і №37640А від 19.05.2000 р.). Розрахункові параметри розроблених рецептур вибухових сумішей ПБВС-2 і ПВС-1У вказують на те, що ці ВР за екологічними і енергетичними показниками переважають відомі найпростіші вибухові суміші (див. таблицю).

У полігонних умовах визначалися повнота детонації, швидкість детонації і критичний діаметр заряду нових сумішевих ВР. Швидкість детонації колонкового заряду ВР визначалася за допомогою реєстратора інтервалів часу РЧІ-2 із використанням іонізаційних датчиків, що розміщувалися на відстанях, рівних трьом діаметрам заряду від торця з детонатором і двом діаметрам від вільного торця.

Таблиця

Основні характеристики найпростіших вибухових сумішей

Основні

показники | Тип і склад ВР

КС-1 | ПБВС-2 | Д-5 | ПВС-1У

АС–90.-95,0 %

ДП–4,0 % ЗРК–6,0-4,0 % | АС–87,7 %

ДП–4,0 %

ЗРК–8,3 % | АС–92,0±1,0 %

ДП–2,5±0,5 % ВП–5,5±0,5 % |

АС–90,0 %

ДП–3,0 %

ЗРК–4,0 %

ВП–3,0 %

Щільність, г/см3 | 0,9-1,05 | 0,95-1,05 | 0,9 | 0,95-1,0

Теплота вибуху,

кДж/ кг | 2900 | 2905 | 3480 | 3580

Об’єм газів, л/ кг | 940 | 848 | 980 | 905

Швидкість детонації, км/с | 3,20-3,50 | 2,45

(1,70-3,20) | - | 2,52

(2,30-2,74)

Кисневий баланс, % | + 8,22 | + 4,50– | 0,15– | 0,05

Критичний діаметр заряду вибухової суміші визначався стандартним методом, коли заряд ВР розміщується в картонній гільзі довжиною 120 см із кутом конусності 3. Повнота детонації вибухової суміші визначалася візуально – за наявністю або відсутністю залишків ВР, що не здетонувала.

Контрольні випробування розроблених вибухових сумішей показали, що їхня рецептура забезпечує повноту детонації і за умовами застосування вони відносяться до першого класу і можуть бути використані для проведення вибухових робіт на денній поверхні.

До числа найважливіших енергетичних характеристик ефективності ВР у масиві гірських порід відноситься величина їхньої працездатності, що визначалася методом воронкоутворення. При цьому, відповідно до методики експерименту, свердловини діаметром 250 мм і глибиною 1,0 м заряджали і підривали. Полігонні випробування показали, що за працездатністю вибухові суміші ПБВС-2 і ПВС-1У наближаються до еталонного ВР – грамоніт 79/21, а їхня відносна працездатність складає: ПБВС-2 – 0, 87, ПВС-1У – 0,93.

Відповідно до вимог Єдиних правил безпеки при вибухових роботах в промислових умовах були проведені попередні і приймальні випробування нових вибухових сумішей.

Вибухова здатність і дія нових ВР на подрібнення порід визначалися в умовах кар’єрів Докучаєвського флюсо-доломітного комбінату. При цьому відпрацьовувалися елементи технології приготування і заряджання вибухових сумішей, формування свердловинних зарядів нових ВР, визначалася їхня економічна ефективність і екологічна надійність.

З урахуванням вимог до стаціонарних пунктів механізованого приготування ВР здійснені проектування, будівництво й експлуатація пункту механізованого приготування багатокомпонентних сумішевих ВР найпростішого складу в умовах Докучаєвського ФДК.

Стабільність сумішевих ВР забезпечувалася їх складом, технологією і порядком змішування компонентів: спочатку гранули аміачної селітри просочувались дизельним паливом, а на заключній стадії засипалися дрібнодисперсні компоненти – залізорудний концентрат і вугільний порошок. Повнота детонації колонкового заряду ВР найпростішого складу забезпечувалася установкою двох проміжних детонаторів відповідної маси ї розміру.

Промислові випробування ефективності технології відбійки вапняків і доломітів новими сумішевими ВР ПБВС-2 і ПВС-1У проводилися в породах різної міцності (f = 6-12) і підтвердили їхню високу ефективність. Усього в період випробувань було підірвано 229 тонн вибухових сумішей ПБВС-2 і ПВС-1У. Бризантність нових ВР оцінювалась по гранулометричному складу підірваної гірської маси і по проробці підошви уступу. У якості контрольної ВР був прийнятий грамоніт 79/21. Дослідження показали, що при використанні вибухових сумішей найпростішого складу в необводнених (слабко обводнених) гірських породах середньої міцності вихід фракції подрібнення 0-200 мм на 15-20 % нижче, ніж при використанні високобризантного промислового ВР типу грамоніт 79/21. Водночас, фракція подрібнення 0-200 мм не дає повної характеристики обсягу перездрібнених фракцій. Фактичний обсяг перездрібнених фракцій, що визначають вихід кінцевої продукції, установлювали на підставі даних розсіву гірської маси на дробильно-збагачувальній фабриці (рис.3).

Фракції подрібнення, мм

Рис.3. Вплив типу ВР на вихід дрібних фракцій подрібнення (Сф):

1 – грамоніт 79/21; 2 – ПВС-1У

Встановлено, що при використанні низькобризантних ВР типу ПВС-1У значною мірою змінюється вихід фракцій (50-130 мм), що є найбільш цінними в загальному обсязі товарної продукції: 72 % при використанні ПВС-1У проти 53,5 % при грамоніті 79/21.

Виходячи з основних критеріїв ефективності ВР, область застосування нових сумішевих ВР найпростішого складу ПБВС-2 і ПВС-1У обмежується необводненими гірськими породами середньої і вищесередньої міцності.

Таким чином, на підставі проведених досліджень була розроблена і впроваджена ресурсозберігаюча технологія вибухової відбійки нерудних корисних копалин, яка передбачає комплекс взаємопов’язаних процесів, а саме: раціональну схему і черговість змішування компонентів вибу хових сумішей, механізовану підготовку і заряджання ВР, вибір і формування раціональної кон-струкції свердловинних зарядів і схеми їх ініціювання, що забезпечує повноту і надійність детонації ВР і відповідно якісне подрібнення порід.

Еколого-економічна ефективність технології відбійки нерудних корисних копалин свердловинними зарядами нових сумішевих ВР найпростішого складу виявляється в поліпшенні екологічної ситуації при їхньому використанні. Зокрема, за рахунок зменшення в 1,5-2,0 разу розмірів зони перездрібнення тільки в період промислових випробувань ПБВС-2 і ПВС-1У на 5-7 % скорочений обсяг викидів пилу і шкідливих газів в атмосферу кар’єрів.

Економічний ефект від впровадження нових сумішевих ВР найпростішого складу типу ПБВС-2 і ПВС-1У за рахунок зниження вартості ВР і раціонального подрібнення за час випробувань (2000-2001 р.р.) склав 542 тис. грн.

ВИСНОВОК

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій наведено нове розв’язання актуальної науково-технічної задачі по розробці ресурсозберігаючої технології вибухового руйнування нерудних корисних копалин, що базується на розробці і використанні нових багатокомпонентних вибухових сумішей найпростішого складу.

Основні наукові результати і практичні рекомендації, отримані в дисертації, зводяться до наступного.

1. Обгрунтовано раціональний напрямок зниження виходу перездрібнених фракцій і пилогазових викидів в атмосферу кар’єрів на основі застосування низькобризантних ВР найпростішого складу, що забезпечують зменшення зони перездрібнення в 1,5-2,0 рази.

2. Вперше встановлено залежність радіуса зони перездрібнення при руйнуванні гірських порід від вибухових властивостей ВР і фізико-механічних властивостей порід з урахуванням коефіцієнта заломлення енергії вибухової хвилі на межі заряд ВР-порода. При цьому збільшена зона перездрібнення утворюється під час вибуху ВР, що має високу швидкість детонації і велику щільність, а акустичний імпеданс якої за розміром близький до акустичного імпедансу породи.

3. Вперше встановлено, що бризантна дія вибуху в гірських породах, яка визначає вихід перездрібнених фракцій, пропорційна площі під головними частинами імпульсів різних ВР за час їхніх хімічних реакцій. На основі параметрів випробуваної та еквівалентної ВР по співвідношенню площ під головними частинами імпульсів цих ВР можливо прогнозувати вихід перездрібнених фракцій при використанні випробуваної ВР.

4. Встановлено, що зі збільшенням швидкості детонації ВР зростає частка пиловидних фракцій розміром 0-50 мкм у продуктах руйнування і зменшується їхній середній розмір.

5. Розроблені рецептури фізично стабільних найпростіших багатокомпонентних низькобризантних ВР типу ПБВС-2 і ПВС-1У, які враховують принцип відповідності властивостей ВР властивостям гірського масиву, який руйнується, що дозволило зменшити вихід перездрібнених фракцій під час вибуху; визначені їх енергетичні та екологічні параметри. Експериментально показано, що за працездатністю нові вибухові суміші наближаються до еталонного ВР (грамоніт 79/21): їхня відносна працездатність при цьому складає 0,87 для ПБВС-2 і 0,93 –для ПВС-1У.

6. Промислові випробування розроблених свердловинних зарядів вибухових сумішей підтвердили їх високу бризантну здатність у необводнених гірських породах середньої і вищесередньої міцності, забезпечивши зниження виходу дрібних фракцій подрібнення (0-200 мм) на 15-20 % у порівнянні з використанням грамоніту 79/21.

7. З урахуванням вимог до стаціонарних пунктів механізованого приготування ВР здійснені проектування, будівництво й експлуатація пункту механізованого готування багатокомпонентних сумішевих ВР найпростішого складу в умовах Докучаєвського ФДК.

8. Ситовий аналіз гірської маси на дробильно-збагачувальній фабриці Докучаєвського ФДК дозволив установити позитивний вплив сумішевих ВР найпростішого складу на вихід товарної продукції: вихід фракції 0-20 мм при використанні розроблених сумішевих ВР найпростішого складу знизився з 28 % (при використанні грамоніту 79/21) до 18,7 %. Вихід найбільш цінної фракції (50-130 мм) при цьому збільшився в 1,3 рази.

9. Використання низькобризантних ВР найпростішого складу призводить до зменшення в 1,5-2,0 рази зони перездрібнення і, як наслідок, до зменшення викидів пилу в атмосферу кар’єру. При цьому знижуються викиди шкідливих газів на 12 % при використанні вибухової суміші ПБВС-2 і практично цілком виключаються викиди шкідливих газів при використанні вибухової суміші ПВС-1У.

10. Нові вибухові речовини найпростішого складу допущені Держнаглядохоронпраці України до постійного застосування на відкритих гірських роботах (листи № 03-09/847 від 04.03.02 р. і № 03-09/1102 від 20.03.02 р.).

11. Загальний економічний ефект тільки за рахунок впровадження нових вибухових сумішей типу ПБВС-2 і ПВС-1У і раціонального подрібнення порід (зниження втрат товарної продукції ) за час випробувань (2000–2001 р.р.) склав 542 тис.гривень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ, ЩО ВІДОБРАЖАЮТЬ

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Петренко В.Д., Пономарев А.В. Получение кондиционной кусковатости горной массы при ведении взрывных работ на флюсовых карьерах // Геотехническая механика.– Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 1999. – Вып.15. – С. 19-22.

2. Пономарев А.В. Современные представления о выборе типа ВВ при разрушении нерудных полезных ископаемых// Геотехническая механика. – Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2000. – Вып. 22. – С.27-30.

3. Ефремов Э.И., Пономарев А.В., Никифорова В.А. Влияние свойств ВВ на размеры зоны переизмельчения при разрушении твердых сред // Науковий вісник Нац. горн. акад.. України. Дніпропетровськ, НГАУ. – 2001. – № 1. – С. 24-26.

4. Ефремов Э.И., Никифорова В.А., Пономарев А.В. О взаимосвязи выхода мелких фракций при разрушении горных пород с параметрами импульсов различных ВВ// Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. – № 1. – С. 88-90.

5. Экспериментальные исследования влияния скорости взрывного нагружения на выход пылевидных фракций при разрушении горных пород/ Э.И.Ефремов, А.В.Пономарев, И.Л.Кратковский, К.С.Ищенко// Геотехническая механика.–Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2001.– Вып.26.– С.8-12.

6. Влияние типов ВВ на интенсивность взрывного разрушения известняков и доломитов/ Э.И.Ефремов, А.В.Пономарев, И.Л.Кратковский, Е.В.Николенко// Сб.науч.тр. Нац. горн. Акад. Украины. – Днепропетровск: НГАУ, 2001. – Т.3. – № 11. – С. 204-209.

7. Пономарев А.В. Простейшие ВВ, техника и технология их приготовления и заряжания скважин на карьерах//Металлургическая и горнорудная промышленность.– 2001.– № 5.– С.73-75.

8. Ефремов Э.И., Пономарев А.В., Баранник В.В. Влияние типа ВВ на выход товарной продукции// Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету.–Вип.2/2002 (13), Кременчук, 2002. –С.6-8.

9. Ефремов Э.И., Пономарев А.В., Николенко Е.В. Эффективность ис-пользования взрывчатых веществ простейшего состава при разру-шении пород флюсовых карьеров// Взрывное дело, № 93/50. – М.: Межвед. комис по взрывн. делу при Акад. горн. наук, 2001. – С. 151-157.

10. Ефремов Э.И., Никифорова В.А., Пономарев А.В. Экспериментальные исследования разрушающего действия взрыва в твердых средах при изменении свойств ВВ// Записки горного института. Труды Второй междунар. научн. конф. “Физические проблемы разрушения горных пород”. – С.-Петербург: С.-Петербург. гос.горн. ин-т, 2001. – Ч.1.– С.46-49.

11. Пат. 37640А Україна: МКВ5 СО 6 В 31/00. Вибухова суміш // Е.І.Єфремов, А.В.Пономарьов, В.В..Бараннік, В.Г.Ковалевич, I.Л.Коваленко (Україна).– № 2000031793; заявл. 30.03.2000. Опубл. 15.05.2001.– Бюл. № 4.

12. Пат. 38034А Україна: МКВ5 СО 6 B 31/38. Вибухова суміш // Е.І.Єфремов, I.А.Коваленко, М.П.Білоконь, А.В.Пономарьов ,В.В.Баранник, В.Г. Ковалевич, К.В. Лотоус, В.В. Лотоус, Г.К.Биков, М.Ф.Кучма, М.М. Гавриленко / (Україна). – № 2000052852; заявл. 19.05.2000. Опубл. 15.05. 2001. – Бюл. № 4.

АНОТАЦІЯ

Пономарьов А.В. Розробка ресурсозберігаючої технології відбійки нерудних корисних копалин з використанням найпростіших вибухових речовин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.15.11. – “Фізичні процеси гірничого виробництва”. – Інститут геотехнічної механіки НАН України, Дніпропетровськ, 2002.

Дисертація присвячена питанням розробки ресурсозберігаючої технології вибухового руйнування флюсових вапняків і доломітів, заснованої на використанні свердловинних зарядів нових багатокомпонентних вибухових сумішей найпростішого складу. В роботі застосовано ефект керованого регулювання інтенсивністю вибухового навантаження гірських порід в ближній зоні вибуху зміною типу і складу вибухових речовин. Встановлено залежність радіуса зони перездрібнення від вибухових властивостей ВР і фізико-механічних властивостей порід з урахуванням коефіцієнта заломлення енергії на межі заряд ВР-порода. Обгрунтовано принцип оцінки виходу перездрібнених фракцій при підриванні порід за величиною площини під головною частиною імпульсу вибуху за час хімічної реакції ВР. Розроблена рецептура фізично стабільних найпростіших багатокомпонентних низькобризантних ВР типу ПБВС-2 і ПВС-1У, які дозволяють зменшити вихід перездрібнених фракцій під час вибуху, визначені їх енергетичні та екологічні параметри. На кар’єрах Докучаєвського ФДК проведені промислові випробування і визначена область їх використання. Рішенням Держнаглядохоронпраці України ці ВР допущені до постійного застосування на відкритих роботах. Здійснено проектування, будівництво і експлуатацію пункту механізованого приготування багатокомпонентних сумішних ВР найпростішого складу. Впровадження нових ВР дозволяє зменшити витрати на підривні роботи, обсяг пилогазових викидів у атмосферу кар‘єру, та збільшити на 2-3 % вихід товарної продукції.

Ключові слова: імпульс вибуху, вибухове навантаження, руйнування, детонація, перездрібнені фракції, багатокомпонентні вибухові суміші найпростішого складу, конструкції свердловинних зарядів, викиди пилу і газів, вихід товарної продукції.

АННОТАЦИЯ

Пономарев А.В. Разработка ресурсосберегающей технологии отбойки нерудных полезных ископаемых с использованием простейших взрывчатых веществ. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.11 – “Физические процессы горного производства”. – Институт геотехнической механики Национальной академии наук Украины, Днепропетровск, 2002.

Диссертация посвящена вопросам разработки ресурсосберегающей технологии взрывного разрушения флюсовых известняков и доломитов, основанной на использовании скважинних зарядов новых многокомпонентных взрывчатых смесей простейшего состава.

Обосновано рациональное направление уменьшения выхода переизмельченных фракций и пылегазовых выбросов в атмосферу карьеров за счет применения низкобризантных ВВ простейшего состава, обеспечивающих уменьшение зоны переизмельчения в 1,5-2,0 раза.

Установлена зависимость радиуса зоны переизмельчения от взрывчатых свойств ВВ и физико-механических свойств пород с учетом коэффициента преломления энергии на границе заряд ВВ-порода, из которой следует, что большая зона переизмельчения образуется при взрыве ВВ, имеющего большую скорость детонации и большую плотность, а акустический импеданс которого по величине ближе к акустическому импедансу породы.

Обоснован принцип оценки выхода переизмельченных фракций при взрыве по величине площади под головной частью импульса взрыва за время химической реакции ВВ. Установлено, что при применении сравниваемых ВВ отношение выходов переизмельченных фракций можно оценивать теоретически рассчитанным отношением площадей под головными частями импульсов для этих ВВ.

Установлено, что с увеличением скорости детонации ВВ возрастает доля пылевидных фракций размером 0-50 мкм в продуктах разрушения и уменьшается их средний размер.

Разработана рецептура физически стабильных многокомпонентных низкобризантных ВВ, учитывающих принцип соответствия свойств ВВ свойствам разрушаемого горного массива. За счет изменения процентного содержания невзрывчатых компонентов (железорудный концентрат и угольный порошок) достигнуто улучшение энергетических и экологических характеристик взрывчатых смесей ПБВС-2 и ПВС-1У по сравнению с допущенными к постоянному применению ВВ типа КС-1 и Д-5. По работоспособности они приближаются к эталонному ВВ (граммонит 79/21). Их относительная работоспособность составляет 0,87 для ПБВС-2 и 0,93 для ПВС-1У.

На карьерах Докучаевского флюсо-доломитного комбината проведены промышленные испытания скважинных зарядов, состоящих из разработанных взрывчатых смесей и определена область их применения – необводненные породы средней и выше средней крепости. Решением Госнадзорохрантруда Украины эти ВВ допущены к постоянному применению на открытых горных работах.

Использование разработанных ВВ простейшего состава приводит к уменьшению размеров зоны переизмельчения породы и, как следствие, к уменьшению объема выбросов пыли в атмосферу карьера. При этом снижаются и выбросы вредных газов: при применении ПБВС-2 на 12 %, а при применении ПВС-1У – практически полностью.

По сравнению с использованием граммонита 79/21 выход фракций дробления 0-200 мм, при применении разработанных взрывчатых смесей уменьшился на 15-20 %. Ситовый анализ горной массы на дробильно-обогатительной фабрике Докучаевского ФДК позволил установить положительное влияние применения новых ВВ простейшего состава на выход товарной продукции: выход фракций 0-20 мм снизился с 28